Файл: Кравченко, Петр Ефимович. Усталостная прочность учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 85
Скачиваний: 1
Глава IV
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Усталостная прочность деталей характеризуется их выносливостью и долговечностью.
Исчерпание выносливости или долговечности и при водит к усталостному разрушению детали. Как уже ука зывалось, число таких разрушений составляет больше половины от общего числа поломок деталей.
В связи с этим уже- в начальный период изучения природы усталостных разрушений делались попытки найти способы борьбы с усталостью. Однако успешное решение этой задачи стало возможным лишь в послед
ние десятилетия, в течение которых более достоверно
раскрыта природа усталостного разрушения, создано совершенное оборудование для проведения эксперимен тальных исследований и широко изучено влияние различ
ных факторов на показатели усталостной прочности. Особую роль при этом сыграло внедрение натурных
испытаний, позволивших наиболее достоверно изучить
влияние формы, размеров, технологии изготовления и условий эксплуатации деталей на их выносливость и долговечность.
Исходя из результатов этих испытаний и современных представлений о природе усталостного разрушения, на мечались реальные пути борьбы с усталостью.
В настоящее время эта борьба ведется в нескольких направлениях путем осуществления главным образом конструктивных, металлургических и технологических
мероприятий.
§ 11. КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Конструктивные меры борьбы с усталостью сводят ся к приданию деталям таких форм, при которых обеспе
чивается наименьшая концентрация напряжений.
62
Рассмотрим, как решается этот вопрос на примере валов, работающих главным образом на изгиб и кручение. Основными концентраторами для них являют ся галтели, шпоночные канавки, шлицы, отверстия, прес совые посадки.
Поэтому при проектировании таких деталей конструк тивными мерами, снижающими концентрацию напряже ний (и тем самым повышающими их усталостную проч
ность), являются:
1. Увеличение радиуса галтели. Об эффективности этого мероприятия говорит следующий пример. В англий
ском воздушном флоте наблюдались частые поломки ко ленчатых валов авиадвигателей по галтели около места насадки пропеллера. С увеличением радиуса галтели всего на 3 мм поломок больше не наблюдалось.
О резком снижении концентрации напряжений с уве личением радиуса галтели свидетельствуют также и данные, приводимые в приложении 2.
Хороший результат дает переход от d к D не по дуге окружности, а по дуге эллипса (рис. 33). Предел вынос ливости в этом случае может быть повышенна 10% (по
сравнению с круговой галтелью). Однако из-за сложно сти выполнения эллиптическая галтель применяется только в особо ответственных конструкциях.
В тех случаях, когда по конструктивным причинам радиус галтели увеличить нельзя, можно уменьшить кон
центрацию напряжений так, как показано на рис. 34.
Рис. 33. Переход |
от данного |
Рис. 34. Галтель с |
диаметра к другому по эллип |
поднутрением. |
|
тической галтели |
|
|
В этом случае |
галтель с |
поднутрением сохраняет |
длину рабочей части шейки и повышает предел вынос ливости на 20—30%.
63
2. Уменьшение разности в жесткостях отдельных участков конструкции. Так, если на участке Б вала
(рис. 35) сделать кольцевую выточку, то жесткость этого участка уменьшится и за счет этого произойдет некоторое выравнивание напряжений
|
и уменьшение |
их концентра |
|
|
ции. |
разгружающим |
|
|
К таким |
||
|
: выточкам прибегают |
в тех |
|
Рис. 35. Разгружающая |
Случаях, когда |
нельзя |
увели |
выточка на валу |
чить радиус галтели. |
|
|
|
Возможность повышения вы |
носливости при наличии некольких рядом расположен ных концентраторов подтверждается и такими примера
ми: а) предел выносливости образца с |
одним витком |
|
резьбы в 2—3 раза меньше, чем предел |
выносливости |
|
таких же образцов с 24 или 28 нитками на 1", б) |
при |
|
напрессовке втулки на вал в точках А |
(рис. 36) |
имеет |
место значительная концентрация напряжений, снижаю
щая усталостную прочность этого узла. Вредное влия ние концентрации существенным образом можно уменьшить вышлифовкой разгружающих выточек, диа метр которых dj, лишь на несколько десятых миллиметра меньше диаметра d.
Однако при неудачно подобран ной форме разгружающих надрезов и для деталей, уже подвергавших
ся поверхностному наклепу, эти над
резы менее эффективны или |
даже |
|
„ |
|
|
|||
бесполезны. Неэффективность |
|
раз- _ |
|
|
||||
гружающих надрезов в случае |
г |
|
Рис. 36. |
Разгружающие |
||||
|
повыточки |
в |
листах |
„а- |
||||
верхностно-упрочнявшихся |
деталей |
прессовки |
втулки |
|
||||
объясняется тем, что при |
создании |
|
|
|
|
таких надрезов снижаются не только вредные напряже ния от внешней нагрузки, но и те полезные остаточные
напряжения сжатия, которые возникли при упрочнении детали (§ 12).
Таким образом, надрезы, расположенные рядом с основным концентратором напряжений, либо не изменя ют величину коэффициента р, либо уменьшают ее.
Весьма важное значение при проектировании и рас чете деталей имеет также вопрос о величине коэффици
ента Р в случае, если несколько концентраторов напря-
64
жений наложены друг на друга (отверстие в выточке или галтели и т. п.).
В первом приближении считают, что коэффициент
вэтих случаях мало превышает величину р для того из
концентраторов, который вызывает наибольшую концен трацию.
Сдругой стороны, имеются указания о том, что шла ковые включения, неровности и риски наиболее опасны
втом случае, если они находятся на поверхности дру гого концентратора.
3.Замена шпоночных соединений шлицевыми, так как
последние более рациональны с точки зрения усталост
ной прочности. В свою очередь, соединение с эвольвентными шлицами при прочих равных условиях усталост ных испытаний оказалось в два раза прочнее, чем сое
динение с прямоугольными шлицами [2]. При кручении валов с прямоугольными шлицами эффективный коэф
фициент концентрации = 1,9.
4, В области радиального сверления уменьшение местных напряжений достигается вдавливанием шарика
рядом с отверстием или в само отверстие, снятием лыски и т. д.
Сказанное выше далеко не исчерпывает рассматри ваемого вопроса. Но уже и эти примеры показывают, что умелое использование конструктивных мероприятий является значительным резервом в деле повышения усталостной прочности деталей машин.
Некоторое повышение усталостной прочности может быть достигнуто также за счет металлургических меро приятий.
Последние сводятся главным образом к.правильному выбору материала и оптимального режима термообра ботки, к борьбе с появлением усадочных раковин и тре щин, газовых пузырей и т. п.
§ 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Названные выше меры борьбы с усталостью (кон
структивные и металлургические) являются давно из вестными и широко используются в современном маши ностроении.
5 65
Однако, несмотря на совершенство Конструктивных форм и использование высококачественных материалов, многие детали имеют все же недостаточную надежность в работе и часто выходят из строя из-за усталостных разрушений.
В связи с этим все большее значение приобретает
внедрение некоторых технологических процессов, су
щественно повышающих выносливость и долговечность
деталей машин.
Рассмотрим, как достигается этот эффект с помощью различных технологических процессов.
а) Токарная обработка, шлифовка и полировка
Опыт показывает, что: 1) выносливость и долговеч
ность детали (при данных материале, термообработке и
конструктивных формах ее) определяются в основном состоянием поверхности детали — ее качеством и меха ническими свойствами, 2) потенциальные возможности материалов, особенно высокопрочных, проявляются лишь в том случае, когда поверхность детали имеет минималь
ное количество различных концентраторов напряжений.
Поэтому очевидно, что токарная обработка |
детали |
не может являться заключительной операцией |
во всех |
тех случаях, когда требуется обеспечить высокую уста лостную прочность детали.
Микрорельеф, образующийся на поверхности детали при ее токарной обработке, ослабляет деталь аналогич но тому, как ее ослабляют надрезы. Степень этого ос лабления тем выше, чем прочнее сталь и чем мельче размеры ее зерен.
Разупрочняющим фактором обычно являются и те остаточные растягивающие напряжения, которые созда ются в поверхностных слоях обтачиваемой детали.
С другой стороны, при обработке резцом имеет место наклеп поверхностного слоя, упрочняющий деталь. Если этот наклеп снять путем отпуска, то предел выносливо сти детали уменьшится на 15—20%.
Выбором режимов резания можно получить опти
мальное влияние токарной обработки на выносливость и
долговечность. Не останавливаясь подробно на этом во просе, укажем только, что наиболее заметное влияние
66
йа выносливость имеет подача, так как ею в значитель ной степени определяется микрорельеф обрабатываемой поверхности. При больших подачах возможно поврежде ние поверхности и
образование остаточ ных растягивающих
напряжений.
Невозможность по лучения качествен
ной поверхности при обработке резцом обусловила широкое применение шлифов ки и даже полировки
деталей, благодаря
чему усталостная прочность их не-
>сколько повышается
■(ом. рис. 31 и 37).
Анализ данных, полученных при ис-
Ри'с. 37. |
Повышение выносливости об |
|
разцов |
после полировки: |
1 —полиро |
ванные |
образцы, 2 — грубо |
обработан |
|
ные образцы |
|
пытании переменным изгибом (см. рис. 31 и 37), пока-
ные, 2—шлифованные, 3 —после токарной обработки
5» |
67 |
зывает, что влияние чистоты обработки возрастает с по вышением статической прочности материала (ад), т. е.
дефекты поверхности более сказываются у высокопроч ных сталей.
У чугунов и. цветных металлов влияние этих дефектов незначительно, т. е. усталостная прочность таких дета лей мало зависит от чистоты поверхности.
Следовательно, шлифовка и полировка наиболее эффективны применительно к деталям из высокопрочных сталей. При переменном кручении чистота поверхности изделия также сказывается на его усталостной прочно сти (рис. 38), хотя и в меньшей степени, чем при пере
менном изгибе.
В заключение укажем, что при статическом нагруже нии влияние шлифовки и полировки почти не сказывает
ся на прочности детали, изготовленной из любого мате риала.
б) Поверхностное упрочнение
Поверхностные слои детали, обладающие пониженной выносливостью (§ 7), являются вместе с тем наиболее-
напряженными, так как при основных видах напряжен ного состояния (изгиб, кручение) максимальные напря жения от внешних нагрузок возникают именно в этих
слоях.
Внутренние слои при этом остаются недогруженны ми и разрушение их возможно только после предвари тельного разрушения поверхностных слоев.
Пониженная выносливость и повышенная напряжен ность поверхностных слоев указывают на то, что проч ностью этих слоев предопределяется прочность детали в целом. Поэтому упрочнение поверхностных слоев долж
но в значительной мере повысить усталостную прочность детали и тем самым предотвратить преждевременный выход ее из строя из-за усталости.
Практика использования поверхностного упрочнения убедительно подтверждает справедливость этого поло жения, вследствие чего упрочняющая технология полу чает все более широкое распространение.
В современном машиностроении используются сле дующие методы поверхностного упрочнения:
1) механические, когда упрочнение достигается ме
68
ханическим наклепом поверхностных слоев (обкаткой
роликами, дробеструйной обработкой и т. п.);
2)термохимические, при которых поверхностные слои детали упрочняются за счет насыщения их элемен тами, образующими стойкие и твердые химические сое
динения (цементация, азотирование и т. п.);
3)термические, при которых упрочнение поверхност
ных слоев происходит за счет тепловой обработки по верхности (закалкой токами высокой частоты или пла менем).
Эти методы обладают своими преимуществами и не достатками, определяющими степень целесообразности и место применимости каждого из них.
Механические методы поверхностного уп рочнения (особенно дробеструйная обработка) получили широ кое распространение лишь в последнее десятилетие.
Сущность процесса дробеструйной обработки заключается в том, что деталь в готовом виде, уже прошедшая механическую и терми ческую обработку, подвергается действию потока дроби. Стальные дробинки выбрасываются воздушной струей или лопатками быстро
вращающегося ротора и ударяют о поверхность детали, производя наклеп этой поверхности.
Микрогеометрия стальных деталей после дробеструйного на клепа определяется по ГОСТ 2789-51 в пределах 5-го и 6-го классов чистоты. Следовательно, технологический процесс дробеструйного
наклепа соответствует чистовому фрезерованию или грубому шли фованию и с успехом может применяться особенно в тех случаях, когда не требуется высокая чистота поверхности.
Причины и механизм положительного влияния дробеструйной обработки на усталостную прочность наклепываемой детали объ ясняются следующими основными положениями:
1. В процессе дробеструйного наклепа детали в ее поверхност ных слоях создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия, достигающие значительных величин.
Возникновение этих напряжений обусловлено тем, что дробин ки, ударяясь о поверхность металла, пластически деформируют (ра стягивают) поверхностные слои, тогда как подповерхностные слои претерпевают упругие деформации.
В последующем стремление этих упруго деформированных слоев сократить длину верхних слоев приводит к тому, что при дости жении равновесия в поверхностных слоях возникают напряжения
сжатия, а в |
подповерхностных — напряжения растяжения. Величина |
|
остаточных |
напряжений .сжатия может быть весьма значительной: |
|
в пластинах |
из |
стали 18ХНВА она достигала (по данным иссле |
дований автора) |
100 кг/льи2. |
При нагружении детали в процессе ее эксплуатации эти оста точные сжимающие напряжения частично или полностью компенси руют растягивающие напряжения от внешней нагрузки, особенно вредно отражающиеся на усталостной прочности детали.
69